固体地球－海洋－大气耦合的一个简单线性模式及其试验结果

选取实际的海陆边界，建立了一个固体地球－海洋－大气耦合的简单线性模式，模式中包含了地气角动量守恒的关系，地转变速摩擦力对大气的作用，风吹流改变海温异常，海温异常又改变大气的质量分布．在无外源作用于地球系统的情况下，地球系统内部的各个部分（纬向风、海温和地转速度）都存在着准两年振荡（ＱＢＯ），由此可见，ＱＢＯ是地球系统内部的一种固有振荡。     

ENSO与中国夏季降水的联系:冬季QBO的调制作用

使用NCEP/NCAR再分析资料、中国气象局台站降水资料和GPCC降水资料,系统研究了在冬季平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)调制下,厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)不同阶段与中国夏季降水的可能联系。根据两者的位相和强度,可将它们的配置分为QBO西风/El Ni?o、QBO西风/La Ni?a、QBO东风/El Ni?o、QBO东风/La Ni?a。研究结果表明,在年际时间尺度上,ENSO和QBO无显著相关关系。冬季QBO西风位相时,El Ni?o发展年夏季,我国整体偏旱,而华南偏涝;衰减年夏季,华南、华东北部偏旱,东北、长江流域偏涝。La Ni?a发展年夏季,我国东部降水异常呈负-正-负的三极分布;衰减年夏季,东南沿海偏涝。冬季QBO东风位相时,El Ni?o发展年夏季,长江以北偏旱;衰减年夏季,我国东部降水异常呈负-正-负的三极分布。La Ni?a发展年夏季,江淮和华南南部偏旱;衰减年夏季,我国东部沿海偏涝。ENSO是影响我国夏季降水异常的重要因子,而QBO的调制作用在ENSO衰减年夏季更为显著。相比冬季QBO东(西)风位相,QBO西(东)风位相时El Ni?o (La Ni?a)期间赤道西太平洋负(正)海温异常更强,衰减年夏季位于西太平洋的异常下沉(上升)运动和印度洋的异常上升(下沉)运动更强更深厚,西太平洋副热带高压范围更大(小),南亚高压更偏东(西)。      

海温对热带低频振荡系统影响的动力学研究

根据热带地区蒸发、辐合上升运动剧烈以及海温异常的特点，构造了一个斜压模式方程组，讨论了海表温度（海温加热和海温异常变化）对热带低频波动的影响。分析表明，对天气尺度波动（Lx～Ly～10^6m），采用完全非地转模式，在海温异常作用下，频率明显发生变化，并容易产生波动的不稳定：海温较低时，波稳定，并随海温的增高，频率变低，波速变慢；海温较高时，会引起波动不稳定，且周期随海温的增高而变小。对超长波系统（Lx～10^7m,L,～10^6m），可以采用半地转模式，海温作用可以激发向东传播的低频Kelvin波以及向西传播的低频Rossby波，热带超常波的波动周期随海温升高和异常增大而变长，且在海温异常作用下，波动会产生不稳定。     

北半球高纬地区年际尺度循环过程中的气-海-冰相互作用关系

基于一个全球气-海-冰耦合模式数值模拟结果,对北半球高纬度地区年际尺度的气-海-冰相互作用进行了分析。在所使用的全球气-海-冰耦合模式中,大气环流模式和陆面过程模式来自国家气候中心,海洋环流模式和海冰模式来自中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室。采用一种逐日通量距平耦合方案实现次网格尺度海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式在高纬地区的耦合。只对50 a模拟结果中的后30 a结果进行了分析。在分析中,首先对滤波后的北半球高纬度地区海平面气压、表面大气温度、海表面温度、海冰密集度及海表面感热通量的标准化距平做联合复经验正交函数分解,取第一模进行重建,然后讨论了在一个循环周期(约4 a)中北半球高纬度地区气-海-冰的作用关系。结果表明:(1)当北大西洋涛动处于正位相时,格陵兰海出现南风异常,使表面大气温度升高,海洋失去感热通量减少,海洋表面温度升高,海冰密集度减小;当北大西洋涛动处于负位相时,格陵兰海出现北风异常,使表面大气温度降低,海洋失去感热通量增多,海洋表面温度降低,海冰密集度增加。巴伦支海变化特点与格陵兰海相似,但在时间上并不完全一致。(2)多年平均而言,北冰洋内部靠近极点区域为冷中心。当北冰洋内部为低压异常时,因异常中心偏向太平洋一侧,使北冰洋内部靠近太平洋部分为暖平流异常,靠近大西洋一侧为冷平流异常。伴随着暖、冷平流异常,这两侧分别出现暖异常和冷异常,海表面给大气的感热通量分别偏少和偏多,上述海区海表面温度分别偏高和偏低,海冰密集度分别偏小和偏大。当北冰洋内部为高压异常时特点正好与上述相反。由上述分析结果可知,在海洋、大气年际循环中,大尺度大气环流变率起主导作用,海洋表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。     

热带太平洋-印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响

从综合考虑热带太平洋和印度洋海温异常特征出发,研究了热带太平洋-印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响.当热带太平洋-印度洋海温异常综合模为正位相(西印度洋和东太平洋海温距平为正,东印度洋-西太平洋海温距平为负),南亚高压偏弱,位置偏东偏南;当热带太平洋-印度洋海温异常综合模为负位相(西印度洋和东太平洋海温距平为负,东印度洋-西太平洋海温距平为正),南亚高压偏强,位置偏西偏北.热带太平洋-印度洋海温异常综合模影响南亚高压主要通过三种机制:一是通过影响亚洲季风从而影响了降水潜热形成的大气加热场分布,在正(负)位相年,青藏高原大气热源为负(正)异常,因此青藏高原上空空气上升减弱(加强),南亚高压偏弱(偏强);南海季风和热带辐合带加强(减弱),菲律宾附近的大气热源加强(减弱),有利于上空青藏高原东南侧反气旋(气旋)式的距平环流,因此南亚高压偏东偏南(偏西偏北).二是热带太平洋-印度洋海温的纬向热力对比引起赤道纬向垂直(Walker)环流异常,必将引起高空纬向风异常,在正(负)位相年,南亚高压南部的印度洋高空会出现西(东)风异常,导致南亚高压偏弱(偏强).三是综合模的正(负)异常加强(减小)西印度洋经度范围的区域Hadley环流,其北侧伊朗高原上的异常下沉(上升)支,造成南亚高压偏弱(偏强),位置偏东偏南(偏西偏北).     

赤道印度洋—太平洋海面经向风的年际低频振荡

通过对COADS1950—1979年海面经向风和海温资料的分析，本文探讨了印度洋—太平洋近赤道地区经向风的长期变化特征及其与厄尼诺发生发展间的关系。结果表明:（1）热带太平洋辐合带系统与海温具有相同的季节变化趋势，冬季赤道辐合带和高海温位于南半球，夏季位于北半球。厄尼诺年经向风发生异常，近赤道地区出现强烈的经向风辐合。（2）近赤道经向风存在准2年（QBO），准3.5年（SO）和准5年（FYO）3种年际低频振荡。QBO对厄尼诺年经向风异常起着重要作用，SO对厄尼诺年和冷水年的经向风变化均十分重要，这两种振荡可以很好的拟合经向风的实际变化，FYO则起着加强的作用。（3）经向风年际低频振荡起源于印度洋—海洋大陆和东太平洋沿岸地区，南北半球冬季风异常和东太平洋沿岸地区信风异常是其主要原因。（4）季风—信风（V）相互作用表现为当异常经向风扰动从季风区东传到信风区时明显增幅，这与信风区海气系统之间时间尺度约1年的自我正反馈有关。     

太平洋-印度洋海表温度加热对中高纬低频振荡的调频作用

用数值试验的方法，分别以无热源型、El Nino初期、El Nino成熟期对应的赤道中东太平洋与赤道印度洋海表温度作为外强迫源，应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式，考虑了摩擦耗散及3波准共振的共同作用，采用非定常、定常加热两种形式积分90d，研究了对中高纬大气低频振荡的调频作用。结果表明：（1）3个行星波之间存在很强的波-波相互作用，且波动振荡呈现准双周和季节内振荡；（2）在El Nino初期和El Nino成熟期，无论是赤道中东太平洋海温还是赤道印度洋海温在逐渐增暖的过程中，大气低频振荡周期都有缩短的趋势。1997年2月-1997年4月，赤道印度洋调节作用强；而在1998年5月，赤道中东太平洋调节作用强；（3）赤道印度洋西区对大气低频振荡的调节作用要强于赤道印度洋东区；Nino3区对大气低频振荡的调节作用要强于Ninol＋2区；（4）太平洋-印度洋海温异常模态在1997年10月为高指数（简称PIMI一型），在1996年9月为低指数（简称PIMI二型），前者对应的东太平洋-西印度洋区对大气的调频作用要大于后者对应的西太平洋一东印度洋区。     

印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模影响的初步模拟研究

印尼海域是联系热带太平洋和印度洋的纽带,为了讨论印度尼西亚贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模的影响,利用一个准全球海洋环流模式,设计了打开、关闭印度尼西亚通道的数值试验对该问题进行初步探讨。试验结果表明,印尼贯穿流对热带太平洋、印度洋海温和海流的模拟有重要影响。在海洋表层,印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模所起作用不大,这时海洋的外强迫(大气风场、太阳辐射等)起主要作用;而在次表层,印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模起着重要的作用。     

IAP-AGCM对QBO模拟的动量收支分析

平流程准两年振荡(QBO)是赤道平流层(～100-1 hPa)变率的主要模态,可对中高纬地区的环流产生重要影响,但目前利用通用大气环流模式(GCM)对其进行准确模拟仍然是一个挑战.本文利用IAP大气环流模式(IAP-AGCM)的中高层大气模式版本(IAP-AGCML69)对QBO进行模拟,并对其动量收支情况进行分析.研究发现,QBO主要是由对流活动引起的重力波强迫(参数化)引起的,但该动量强迫被平流层赤道上升流所引起的平流过程显著削弱.模式可分辨尺度的波动强迫对赤道上空的QBO的总纬向风倾向有正贡献,在上平流层,其量值大小与参数化的重力波强迫相当.以上结果提供了QBO形成机制以及模式模拟差异可能原因的认识.     

IAP-AGCM对QBO模拟的动量收支分析（英文）

平流层准两年振荡(QBO)是赤道平流层(～100-1 hPa)变率的主要模态,可对中高纬地区的环流产生重要影响,但目前利用通用大气环流模式(GCM)对其进行准确模拟仍然是一个挑战.本文利用IAP大气环流模式(IAP-AGCM)的中高层大气模式版本(IAP-AGCML69)对QBO进行模拟,并对其动量收支情况进行分析.研究发现,QBO主要是由对流活动引起的重力波强迫(参数化)引起的,但该动量强迫被平流层赤道上升流所引起的平流过程显著削弱.模式可分辨尺度的波动强迫对赤道上空的QBO的总纬向风倾向有正贡献,在上平流层,其量值大小与参数化的重力波强迫相当.以上结果提供了对QBO形成机制以及模式模拟差异可能原因的认识.     

外强迫对热带季节内振荡影响的模拟研究

应用经过修改的NCAR CCM3模式和CAM2模式进行的数值实验结果以及NCEP的GFS模式的输出结果讨论了海温等外强迫作用对热带季节内振荡的影响.结果表明,热带季节内振荡是热带大气固有的内部变率.它是由大气内部过程的相互作用决定的.但外强迫对热带季节内振荡的强度、传播方向等有明显的影响.当外强迫没有变化时,模式可以模拟出与观测近似的低频振荡.当作为外强迫的海温和太阳辐射有年内季节变化时,模式模拟的季节内振荡则明显减弱.当海温与辐射不仅有季节变化而且有年际变化时,模式模拟的季节内振荡会进一步减弱.具有长周期的外强迫还会削弱季节内振荡中东移波动的能量而增加静止波的强度.在与海洋模式耦合的状态下,模式不受来自海洋的外强迫影响,而是与海洋构成一个耦合系统,可以产生最强的季节内振荡.     

中国东部夏季降水准两年振荡的主振荡型分析

利用中国160个测站月降水资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,选取中国东部夏季降水准两年振荡(TBO)分量做主振荡型分析(POP)和伴随相关分析(ACP)。结果表明:第一个POP对占东部夏季降水TBO总方差的18.2%,循环周期约为4年。实部为过渡型,振幅在1950年代中期和1980年代初期明显增大,在1980年代中后期到1990年代中期振幅的TBO特征异常显著。虚部为峰值型,在华南东部—长江流域—江淮流域有大范围的正值中心,高值中心位于长江—江淮流域,华南中西部为一负中心。虚部型振幅,1990年代中后期虚部型的振幅有明显加强。海温的伴随相关说明东部夏季降水TBO过渡型与西太平洋海温异常相对应,峰值型与赤道中东太平洋海温异常相对应。850 hPa风场异常、赤道纬向风异常和经向垂直环流异常的伴随相关显示,当POP对处于过渡型(负过渡型)时西太平洋对流旺盛(弱),南海上空有反气旋(气旋)生成。当POP对处于峰值型(负峰值型)时,赤道上Walker环流减弱(加强),经向上Hardly环流位置偏南(北),强度加强(减弱)。总之,中东太平洋海温异常与东部夏季降水TBO的传播有着密切联系,并通过海气相互作用和低纬与中高纬的相互作用来影响中国东部夏季降水TBO的传播,南北半球环流的相互作用也需要进一步探讨。     

An atmosphere–ocean regional climate model for the Mediterranean area: assessment of a present climate simulation

We present an atmosphere–ocean regional climate model for the Mediterranean basin, called the PROTHEUS system, composed by the regional climate model RegCM3 as the atmospheric component and by a regional configuration of the MITgcm model as the oceanic component. The model is applied to an area encompassing the Mediterranean Sea and compared to a stand-alone version of its atmospheric component. An assessment of the model performances is done by using available observational datasets. Despite a persistent bias, the PROTHEUS system is able to capture the inter-annual variability of seasonal sea surface temperature (SST) and also the fine scale spatio-temporal evolution of observed SST anomalies, with spatial correlation as high as 0.7 during summer. The close inspection of a 10-day strong wind event during the summer of 2000 proves the capability of the PROTHEUS system to correctly describe the daily evolution of SST under strong air–sea interaction conditions. As a consequence of the model’s skill in reproducing observed SST and wind fields, we expect a reliable estimation of air–sea fluxes. The model skill in reproducing climatological land surface fields is in line with that of state of the art regional climate models.     

Isolating mesoscale coupled ocean–atmosphere interactions in the Kuroshio Extension region

The Kuroshio Extension region is characterized by energetic oceanic mesoscale and frontal variability that alters the air–sea fluxes that can influence large-scale climate variability in the North Pacific. We investigate this mesoscale air-sea coupling using a regional eddy-resolving coupled ocean–atmosphere (OA) model that downscales the observed large-scale climate variability from 2001 to 2007. The model simulates many aspects of the observed seasonal cycle of OA coupling strength for both momentum and turbulent heat fluxes. We introduce a new modeling approach to study the scale-dependence of two well-known mechanisms for the surface wind response to mesoscale sea surface temperatures (SSTs), namely, the ‘vertical mixing mechanism’ (VMM) and the ‘pressure adjustment mechanism’ (PAM). We compare the fully coupled model to the same model with an online, 2-D spatial smoother applied to remove the mesoscale SST field felt by the atmosphere. Both VMM and PAM are found to be active during the strong wintertime peak seen in the coupling strength in both the model and observations. For VMM, large-scale SST gradients surprisingly generate coupling between downwind SST gradient and wind stress divergence that is often stronger than the coupling on the mesoscale, indicating their joint importance in OA interaction in this region. In contrast, VMM coupling between crosswind SST gradient and wind stress curl occurs only on the mesoscale, and not over large-scale SST gradients, indicating the essential role of the ocean mesocale. For PAM, the model results indicate that coupling between the Laplacian of sea level pressure and surface wind convergence occurs for both mesoscale and large-scale processes, but inclusion of the mesoscale roughly doubles the coupling strength. Coupling between latent heat flux and SST is found to be significant throughout the entire seasonal cycle in both fully coupled mode and large-scale coupled mode, with peak coupling during winter months. The atmospheric response to the oceanic mesoscale SST is also studied by comparing the fully coupled run to an uncoupled atmospheric model forced with smoothed SST prescribed from the coupled run. Precipitation anomalies are found to be forced by surface wind convergence patterns that are driven by mesoscale SST gradients, indicating the importance of the ocean forcing the atmosphere at this scale.     

TOGA型海-气耦合模式直接模拟的SST误差分析

本文对一个TOGA(热带太平洋和全球大气)型耦合环流模式直接耦合30 a(1980—2009年)的模拟结果进行分析,发现模拟的热带太平洋海表温度存在严重的"气候漂移"现象。通过对模式海表温度控制方程中加热和冷却项的分析,特别是对海表热通量和风应力的分析,指出了两者的误差在热带太平洋海表温度的"气候漂移"现象中扮演的角色。为了进一步证实分析的结果,通过4个敏感性试验分析热通量和风应力对热带太平洋海表温度分布的作用,特别是热通量对西太平洋暖池的形成,而风应力对东太平洋冷舌的形成均有重要的作用以及纬向风应力和经向风应力对冷舌形成的相对贡献。     

中尺度海-气耦合模式GRAPES_OMLM对台风珍珠的模拟研究

利用全球/区域同化与预报系统GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)和改进的Mellor-Yamada型海洋混合层模式OMLM(Ocean Mixed Layer Model),建立了一个新的中尺度海-气耦合模式GRAPES_OMLM,并利用该模式对发生于南海的台风珍珠(0601)进行了模拟研究,检验了GRAPES_OMLM对台风的模拟性能,并分析了局地海-气相互作用对台风的影响。结果表明,GRAPES_OMLM基本能模拟出台风天气过程中的主要物理过程。考虑了海-气相互作用的耦合试验所模拟出的台风强度、近台风中心最大风速以及台风后期移动路径,相对于两组控制试验(单独大气模式)的模拟结果都有较大的改进。而且,采用逐日变化海表温度作为下边界条件的控制试验2的模拟结果相对于SST不变的控制试验1更接近观测。耦合模式GRAPES_OMLM能较好地模拟出台风过境海表温度的变化,台风珍珠在其路径右侧有超过4.0℃的降温。SST的变化和海表风应力的变化呈反相关系,风应力的增大伴随着海洋近表层湍流动能(TKE)的加强,大风动力作用是SST降低的主要原因。SST的降低致使海洋向台风输送的热通量减少,进而削弱了台风的强度并改变台风环流结构,同时通过改变位势涡度趋势的一波结构(WN-1)来影响台风的移动路径。     

A NUMERICAL STUDY OF SHORT-RANGE CLIMATIC OSCILLATION WITH VARIOUS TIME SCALES FORCED BY EL NINO DURING THE NORTHERN SUMMER

The normal mode method is adopted to decompose the differences between simulations with SST(seasurface temperature)anomahes over centra-eastern Pacific and normal SST by use of a nine-layer global spec-tral model in order to investigate short-range climatic oscillation with various time scales forced by ElNino during the northern summer.Investigation shows that El Nino may have the following influence onatmosphere on various space-time scales.Extra-long wave components of Rossby mode forced by convectiveanomaly over equatorial western Pacific resulting from El Nino produce climatic oscillation on monthly(sea-sonal)time scale in middle-high latitudes of Southern and Northern Hemispheres;extra-long wave componentsof Kelvin mode forced by SST anomalies propagate along the equator,resulting in 30—60 day oscillation oftropical and subtropical atmosphere;and its long waves move eastward with westerly,resulting in quasi-biweekoscillation.     

Role of ocean–atmosphere interaction on northward propagation of Indian summer monsoon intra-seasonal oscillations (MISO)

Atmospheric dynamical mechanisms have been prevalently used to explain the characteristics of the summer monsoon intraseasonal oscillation (MISO), which dictates the wet and dry spells of the monsoon rainfall. Recent studies show that ocean–atmosphere coupling has a vital role in simulating the observed amplitude and relationship between precipitation and sea surface temperature (SST) at the intraseasonal scale. However it is not clear whether this role is simply ‘passive’ response to the atmospheric forcing alone, or ‘active’ in modulating the northward propagation of MISO, and also whether the extent to which it modulates is considerably noteworthy. Using coupled NCEP–Climate Forecast System (CFSv2) model and its atmospheric component the Global Forecast System (GFS), we investigate the relative role of the atmospheric dynamics and the ocean–atmosphere coupling in the initiation, maintenance, and northward propagation of MISO. Three numerical simulations are performed including (1) CFSv2 coupled with high frequency interactive SST, the GFS forced with both (2) observed monthly SST (interpolated to daily) and (3) daily SST obtained from the CFSv2 simulations. Both CFSv2 and GFS simulate MISO of slightly higher period (~60 days) than observations (~45 days) and have reasonable seasonal rainfall over India. While MISO simulated by CFSv2 has realistic northward propagation, both the GFS model experiments show standing mode of MISO over India with no northward propagation of convection from the equator. The improvement in northward propagation in CFSv2, therefore, may not be due to improvement of the model physics in the atmospheric component alone. Our analysis indicates that even with the presence of conducive vertical wind shear, the absence of meridional humidity gradient and moistening of the atmosphere column north of convection hinders the northward movement of convection in GFS. This moistening mechanism works only in the presence of an ‘active’ ocean. In CFSv2, the lead-lag relationship between the atmospheric fluxes, SST and convection are maintained, while such lead-lag is unrealistic in the uncoupled simulations. This leads to the conclusion that high frequent and interactive ocean–atmosphere coupling is a necessary and crucial condition for reproducing the realistic northward propagation of MISO in this particular model.     

广西近百年气温和降水序列的多时间尺度分析

对广西近百年平均气温及降水量变化进行了多时间尺度的层次结构研究,并与Nino3区的海温距平进行奇异交叉谱分析。结果表明：平均气温有较强上升趋势并伴有明显的准两年周期振荡;降水则呈下降趋势,主要周期为32 a左右及准两年振荡。1884至1910年代初,广西处于干冷期;1910年代初至1930年前后,处于湿冷期;1930年前后至1950年代后期,处于湿暖期;1950年代后期至1990年代前期,处于干暖期。ENSO事件3~7 a的周期对广西平均气温及降水影响显著,赤道太平洋海温变化对广西气温的影响主要表现在年代际变化上,对降水的影响主要体现在年际变化上。